CN110487251B - 一种用非量测相机的无人机进行大比例尺测图的作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用非量测相机的无人机进行大比例尺测图的作业方法，属于电力工程勘测术领域，其包括以下步骤：（1）接受航测任务；（2）进行相机检校，获取镜头畸变参数；（3）进行网格化相控点布设方案设计，并进行优化；（4）现场布设网格化相控点，并采集其坐标；（5）航测任务设计，包括航摄分区，航高设计，重叠度设计；（6）航飞准备工作，包括飞机螺旋桨、电池、存储卡、相机工作性能等检查；（7）现场航飞作业；（8）航飞数据处理；通过本发明的作业方法能够使轻型多旋翼无人机应用于大比例尺测图任务中；大大降低设备使用成本；降低作业风险的优点。

Description

一种用非量测相机的无人机进行大比例尺测图的作业方法

技术领域

本发明涉及电力工程勘测技术领域，具体涉及一种用非量测相机的无人机进 行大比例尺测图的作业方法。

背景技术

轻型无人机航摄系统在大比例尺测图中应用时，主要由以下三个方面的原因 导致传统的中心投影方程和航空摄影测量作业模式不适用：(1)由于自重较小 易受风力影响，导致飞行姿态不稳定，相片旋偏角大，相片模糊，航线弯曲度大； (2)搭载的非专业量测相机，影像像幅小，且镜头畸变较大；(3)普通无人机 pos系统定位定姿精度较差，不能满足航空摄影测量的精度要求。

针对轻型无人机由于自身质量小导致的问题，分为三类进行讨论：(1)在 相机曝光瞬间，风力导致相机发生漂移，造成相片模糊，出现像点位移现象；(2) 风力导致相片旋偏角、俯仰角和侧滚角变化大，导致相片进行灰度匹配时出现问 题；(3)风力导致航线弯曲度大，影像重叠度不规律的问题。

针对搭载的非量测型相机导致的问题，分为两类进行讨论：(1)影像像幅 小，造成航摄基线短，基高比小，导致高程精度降低的问题；(2)镜头畸变大， 导致影像位置偏离物体实际位置的问题。

需要解决以上六个问题，才能将轻型无人机搭载非量测相机这一作业平台应 用于山区大比例尺测图工程中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用非量测相机的无人机进行大比例 尺测图的作业方法，以解决当前搭载了非量测相机的轻型无人机难以应用在山区 大比例尺测图工程中的问题。

为解决上述问题，本发明提供了如下技术方案：

一种用非量测相机的无人机进行大比例尺测图的作业方法，包括以下步骤：

S1、根据航测任务书选择合适的无人机及搭载的非量测相机，在比例尺地图 上确定测图范围；

S2、对相机进行检校，获得镜头畸变参数；

S3、选择地图上布设网格的大小；

S4、根据步骤S3中确定的网格大小，在测量地图上由步骤S1确定的测图 边界线范围内均匀绘制网格，并对网格进行编号处理；

S5、检查由步骤S4确定的每个网格中的地形，根据地图上的地形确定网格 内的地形特征点，将该处的地形特征点作为像控点，在无地形特征点的网格内均 匀设置网格点作为像控点，并对所有像控点的坐标进行记录；

S6、将步骤S5中获得的所有像控点坐标导入谷歌地图，并根据谷歌地图所 产生最新的卫星地图对像控点进行进一步优化；

S7、将经过步骤S6优化后的像控点坐标导入GNSS手薄，进行野外像控点 布设，并根据GNSS仪器所采集到的实际布设的像控点测量标志中心坐标；

S8、对所有的像控点测量标志中心坐标数据进行统一编号，将编完号的像控 点导入CAD后对比步骤S4中获得的已编号网格进行对比检查及修正；

S9、根据S8中获得的像控点测量标志中心坐标数据在对应坐标位置的现场 布设控制点；并采集控制点的现实坐标作为实际像控点测量标志中心坐标数据

S10、进行包括航摄分区、航高设计和重叠度设计在内的航飞任务设计，其 中根据允许的航向上影响匹配后像素中误差值选择航向重叠度的大小；

S11、检查无人机及搭载的相机的工作性能，无误后进行航飞作业；

S12、收集航飞作业拍下的照片，并根据航空摄影测量法对获得的照片进行 处理；其中，在扫描影像照片时通过使用像点位移改正公式对获得的像点坐标数 据进行位移修正；在进行定向建模时采用隔片构建立体相对模型的手段进行建 模；使用步骤S2中获得的镜头畸变参数代入畸变改正模型中对产生镜头畸变的 坐标数据进行改正，并将改正后的坐标数据通过中心投影的共线方程中进行修正 以得到正射模型。

优选的，在步骤S2中获得的k₁、k₂和k₃以及p₁和p₂，其中k₁、k₂和k₃为 径向畸变系数，p₁和p₂为偏心畸变系数；且在步骤S12中所使用的镜头畸变模 型如下式所示

Δx＝(x-x₀)(k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶+...)+p₁(r²+2(x-x₀)²)+2p₂(x-x₀)(y-y₀)+α(x-x₀)+β(y-y₀)

Δy＝(y-y₀)(k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶+...)+p₂(r²+2(y-y₀)²)+2p₁(x-x₀)(y-y₀)

式中，Δx、Δy为像点坐标改正值，x₀、y₀为像主点坐标，x、y为像点坐 标系下的像点坐标，

为像点的主点辐射距；k₁、k₂、k₃为径向畸变系数，p₁、p₂为偏心畸变系数，α为CCD非正方形比例系数，β为 CCD非正交性畸变系数。

优选的，若选用1:500比例尺地形图，步骤S3中所选择的网格大小范围在 60～120m之间；若选用1:1000比例尺地形图，选择的网格大小范围在80～150m 之间；若选用1:2000比例尺地形图，选择的网格大小范围在100～200m之间；且 具体使用的网格大小通过下式进行计算得到：

d＝d_min+(d_max-d_min)×λ

式中，d为最后使用的网格大小，d_min为网格大小下限，d_max为网格大小上 限，λ为地形复杂程度系数。

优选的，在步骤S5中网格内的地形特征点的选取包括山顶点、山脚点和山 肩边坡点；同时在局部高度变化大于10m的陡坎、悬崖的高点和低点均定义为 地形特征点。

优选的，在步骤S6中对像控点进行的优化包括将布设在建筑物和池塘上的 像控点移动或删除；因修建公路、房屋等造成较大边坡处在坡顶和坡脚处增加像 控点。

优选的，在步骤S8中还需对编号后的像控点测量标志中心坐标数据进行精 度分析，并剔除精度不满足要求的像控点。

本发明有益效果：

(1)该作业流程解决轻型无人机搭载非量测相机在大比例测图中应用的问 题，能将轻型多旋翼无人机应用与大比例尺测图任务中。

(2)相比较于固定翼搭载量测相机，设备投入由30w左右降低到1w左右， 设备成本降低96.7％。

(3)轻型无人机对起降场地要求较低，可实现垂直起降，具有悬停、倒飞、 斜飞等能力，飞行方向和速度可灵活控制，作业危险性较小。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进行进一步介绍：

实施例：

本实施例提供一种用非量测相机的无人机进行大比例尺测图的作业方法， 包括以下步骤：

S1、根据航测任务书选择合适的无人机及搭载的非量测相机，在比例尺地 图上确定测图范围；

S2、对相机进行检校，获得镜头畸变参数；

S3、选择地图上布设网格的大小；

S4、根据步骤S3中确定的网格大小，在测量地图上由步骤S1确定的测图 边界线范围内均匀绘制网格，并对网格进行编号处理；

S5、检查由步骤S4确定的每个网格中的地形，根据地图上的地形确定网格 内的地形特征点，将该处的地形特征点作为像控点，在无地形特征点的网格内均 匀设置网格点作为像控点，并对所有像控点的坐标进行记录；在确定地形特征点 时，一般布设在在航向三片重叠和旁向重叠中线附近，困难时可布设在航向重叠 范围内；同时在大面积无特征区域的周围也应增设像控点；同时需要保证一定的 密度，使点与点之间的间距不能过大；在温度与气压适宜的条件下，采用RTK 进行像控点布设工作，一般制作精确且便于识别的地面控制点符号，进行格网式 地面像控点的布设；

S6、将步骤S5中获得的所有像控点坐标导入谷歌地图，并根据谷歌地图所 产生最新的卫星地图对像控点进行进一步优化；考虑到比例尺地图生产应用具有 一定的滞后性，通过最新的卫星地图对像控点的位置、数量和密度进行优化，进 而提高航测任务的准确性；

S7、将经过步骤S6优化后的像控点坐标导入GNSS手薄，进行野外像控点 布设，并根据GNSS仪器所采集到的实际布设的像控点测量标志中心坐标；在野 外作业进行像控点布设时，主要通过点放样方式进行，根据GNSS仪器指示，放 样到相应位置后，布设像控点测量标志，采集实际布设的像控点测量标志中心坐 标；

S8、对所有的像控点测量标志中心坐标数据进行统一编号，将编完号的像 控点导入CAD后对比步骤S4中获得的已编号网格进行对比检查及修正；

S9、根据S8中获得的像控点测量标志中心坐标数据在对应坐标位置的现场 布设控制点；并采集控制点的现实坐标作为实际像控点测量标志中心坐标数据

S10、进行包括航摄分区、航高设计和重叠度设计在内的航飞任务设计，其 中根据允许的航向上影响匹配后像素中误差值选择航向重叠度的大小；

在本实施例中，航向重合度与像素误差之间的关系可参考下表进行设置：

航向重叠度(％)	89.1	86.3	80.1	75.3	70.0	65.1
							自动匹配点数	940	770	645	510	440	348
像素中误差	0.1	0.2	0.3	0.4	0.6	0.8

S11、检查无人机及搭载的相机的工作性能，无误后进行航飞作业；

S12、收集航飞作业拍下的照片，并根据航空摄影测量法对获得的照片进行 处理；其中，在扫描影像照片时通过使用像点位移改正公式对获得的像点坐标数 据进行位移修正；在进行定向建模时采用隔片构建立体相对模型的手段进行建 模；使用步骤S2中获得的镜头畸变参数代入畸变改正模型中对产生镜头畸变的 坐标数据进行改正，并将改正后的坐标数据通过中心投影的共线方程中进行修正 以得到正射模型。对像点坐标数据进行位移修正的目的在于解决相机曝光瞬间， 风力导致相机发生偏移，造成相片模糊，出现像点位移现象。

在本实施例中所使用的像点位移公式可参考下式：

式中，v_g为轻型无人机的地面速度，t_e为相机曝光时间，s_p为像元大小，c 为焦距长度，h_g为飞行器的飞行高度。

在步骤S2中获得的k₁、k₂和k₃以及p₁和p₂，其中k₁、k₂和k₃为径向畸变 系数，p₁和p₂为偏心畸变系数；且在步骤S12中所使用的镜头畸变模型如下式 所示

Δx＝(x-x₀)(k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶+...)+p₁(r²+2(x-x₀)²)+2p₂(x-x₀)(y-y₀)+α(x-x₀)+β(y-y₀)

Δy＝(y-y₀)(k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶+...)+p₂(r²+2(y-y₀)²)+2p₁(x-x₀)(y-y₀)

式中，Δx、Δy为像点坐标改正值，x₀、y₀为像主点坐标，x、y为像点坐 标系下的像点坐标，

为像点的主点辐射距；k₁、k₂、k₃为径向畸变系数，p₁、p₂为偏心畸变系数，α为CCD非正方形比例系数，β为 CCD非正交性畸变系数。

优选的，若选用1:500比例尺地形图，步骤S3中所选择的网格大小范围在 60～120m之间；若选用1:1000比例尺地形图，选择的网格大小范围在80～150m 之间；若选用1:2000比例尺地形图，选择的网格大小范围在100～200m之间；且 具体使用的网格大小通过下式进行计算得到：

d＝d_min+(d_max-d_min)×λ

式中，d为最后使用的网格大小，d_min为网格大小下限，d_max为网格大小上 限，λ为地形复杂程度系数。考虑到实际地貌特征，若地形平缓，变化不大，则 取上述网格范围值的上限；若地形复杂，变化剧烈，则取上述网格范围值的下限， 并考虑适当加密。

优选的，在步骤S5中网格内的地形特征点的选取包括山顶点、山脚点和山 肩边坡点；同时在局部高度变化大于10m的陡坎、悬崖的高点和低点均定义为 地形特征点。通过在高差变化大的位置的高低点分别设置地形特征点是为了控制 高差，进而提高地形特征点分布的代表性。

优选的，在步骤S6中对像控点进行的优化包括将布设在建筑物和池塘上的 像控点移动或删除；因修建公路、房屋等造成较大边坡处在坡顶和坡脚处增加像 控点。由于人类活动对于自然环境的影响较大，而在一系列的活动中，由于建筑 物和池塘上不便作为像控点测量标志需要进行删除，而人为产生的坡路情况则需 要进行补充像控点来保证测量的精准度。

优选的，在步骤S7中还需对编号后的像控点测量标志中心坐标数据进行精 度分析，并剔除精度不满足要求的像控点。

Claims (6)

1.一种用非量测相机的无人机进行大比例尺测图的作业方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、根据航测任务书选择合适的无人机及搭载的非量测相机，在比例尺地图上确定测图范围；

S2、对相机进行检校，获得镜头畸变参数；

S3、选择地图上布设网格的大小；

S4、根据步骤S3中确定的网格大小，在测量地图上由步骤S1确定的测图边界线范围内均匀绘制网格，并对网格进行编号处理；

S5、检查由步骤S4确定的每个网格中的地形，根据地图上的地形确定网格内的地形特征点，将该处的地形特征点作为像控点，在无地形特征点的网格内均匀设置网格点作为像控点，并对所有像控点的坐标进行记录；地形特征点的设置在航向三片重叠和旁向重叠中线的附近，且地形特征点能够位于航向重叠范围内；同时在大面积无特征区域的周围也应增设像控点，并采用RTK进行像控点布设工作；

S6、将步骤S5中获得的所有像控点坐标导入谷歌地图，并根据谷歌地图所产生最新的卫星地图对像控点进行进一步优化；

S7、将经过步骤S6优化后的像控点坐标导入GNSS手薄，进行野外像控点布设，并根据GNSS仪器所采集到的实际布设的像控点测量标志中心坐标；

S8、对所有的像控点测量标志中心坐标数据进行统一编号，将编完号的像控点导入CAD后对比步骤S4中获得的已编号网格进行对比检查及修正；

S9、根据S8中获得的像控点测量标志中心坐标数据在对应坐标位置的现场布设控制点；并采集控制点的现实坐标作为实际像控点测量标志中心坐标数据；

S10、进行包括航摄分区、航高设计和重叠度设计在内的航飞任务设计，其中根据允许的航向上影响匹配后像素中误差值选择航向重叠度的大小；

S11、检查无人机及搭载的相机的工作性能，无误后进行航飞作业；

S12、收集航飞作业拍下的照片，并根据航空摄影测量法对获得的照片进行处理；其中，在扫描影像照片时通过使用像点位移改正公式对获得的像点坐标数据进行位移修正；在进行定向建模时采用隔片构建立体相对模型的手段进行建模；使用步骤S2中获得的镜头畸变参数代入畸变改正模型中对产生镜头畸变的坐标数据进行改正，并将改正后的坐标数据通过中心投影的共线方程中进行修正以得到正射模型。

2.根据权利要求1所述的一种用非量测相机的无人机进行大比例尺测图的作业方法，其特征在于：在步骤S2中获得的k₁、k₂和k₃以及p₁和p₂，其中k₁、k₂和k₃为径向畸变系数，p₁和p₂为偏心畸变系数；且在步骤S12中所使用的镜头畸变模型如下式所示

Δx＝(x-x₀)(k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶+...)+p₁(r²+2(x-x₀)²)+2p₂(x-x₀)(y-y₀)+α(x-x₀)+β(y-y₀)

Δy＝(y-y₀)(k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶+...)+p₂(r²+2(y-y₀)²)+2p₁(x-x₀)(y-y₀)

式中，Δx、Δy为像点坐标改正值，x₀、y₀为像主点坐标，x、y为像点坐标系下的像点坐标，

为像点的主点辐射距；k₁、k₂、k₃为径向畸变系数，p₁、p₂为偏心畸变系数，α为CCD非正方形比例系数，β为CCD非正交性畸变系数。

3.根据权利要求1所述的一种用非量测相机的无人机进行大比例尺测图的作业方法，其特征在于：若选用1:500比例尺地形图，步骤S3中所选择的网格大小范围在60～120m之间；若选用1:1000比例尺地形图，选择的网格大小范围在80～150m之间；若选用1:2000比例尺地形图，选择的网格大小范围在100～200m之间；且具体使用的网格大小通过下式进行计算得到：

d＝d_min+(d_max-d_min)×λ

式中，d为最后使用的网格大小，d_min为网格大小下限，d_max为网格大小上限，λ为地形复杂程度系数。

4.根据权利要求1所述的一种用非量测相机的无人机进行大比例尺测图的作业方法，其特征在于：在步骤S5中网格内的地形特征点的选取包括山顶点、山脚点和山肩边坡点；同时在局部高度变化大于10m的陡坎、悬崖的高点和低点均定义为地形特征点。

5.根据权利要求1所述的一种用非量测相机的无人机进行大比例尺测图的作业方法，其特征在于：在步骤S6中对像控点进行的优化包括将布设在建筑物和池塘上的像控点移动或删除；因修建公路、房屋造成较大边坡处在坡顶和坡脚处增加像控点。

6.根据权利要求1所述的一种用非量测相机的无人机进行大比例尺测图的作业方法，其特征在于：在步骤S8中还需对编号后的像控点测量标志中心坐标数据进行精度分析，并剔除精度不满足要求的像控点。